產品模塊化設計與生產的優點和方法 - 愛論文

產品模塊化設計與生產的優點和方法　[2006年11月15日]關鍵詞：產品,模塊,企業,模塊化,功能,平台,生產,越來越,可以,

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摘要：介紹產品模塊化的優點和方法，從模塊的概念入手，介紹模塊的特點，以及模塊化產品的過程，並介紹了模塊化如何通過PDM系統得以實現。關鍵詞：模塊 模塊化 產品平台 批量生產 大規模定製 PDM Windchill 重用 互換1 製造業面臨的挑戰隨著中國加入WTO，中國經濟進一步融入世界經濟，中國在世界經濟中扮演著越來越重要的角色。在這樣的大背景下作為中國經濟增長引擎的製造行業中蘊藏著巨大的市場機遇，但同時競爭也越來越慘烈，中國的製造業同樣面臨者巨大的挑戰。要想贏得未來競爭的勝利，中國的製造業企業必須通過優化整個產品生命周期的業務鏈來縮短產品上市時間、提高產品質量、降低成本，同時還要不斷通過研發創新來滿足客戶的變化需求。技術的飛速進步，引起產品工程越來越複雜，企業必須在不斷變化的環境中應付越來越複雜的工程技術，隨著客戶對產品個性化需求程度的增加，也導致產品定製化趨勢越來越明顯，企業必須創建數量龐大的產品系列來滿足客戶不斷變化的需求。企業必須同時具備以下的能力才能夠應對挑戰 ：持續提高的創新能力，使產品的科技含量越來越高，以滿足客戶變化需求；不斷縮短產品上市時間，取得競爭優勢；不斷強化成本控制能力，通過優化產品全生命周期內的成本、研發、生產、物流、銷售和服務等環節控制產品總成本，取得產品價格優勢；持續的質量改進能力。企業一方面必須利用產品的批量化、標準化和通用化來縮短上市周期、降低產品成本、提高產品質量，另一方面還要不斷地進行產品創新使產品越來越個性化，滿足客戶的定製需求。這樣，如何平衡產品的標準化、通用化與定製化、柔性化之間的矛盾，成為贏得競爭的關鍵能力。平台化、模塊化的產品設計和生產可以在保持產品較高通用性的同時提供產品的多樣化配置，因此平台化、模塊化的產品是解決定製化生產和批量化生產這對矛盾的一條出路。但是，企業中龐大的激烈變化的產品數據僅僅依靠手工方式來管理是很難做到準確性、完整性、及時性和可追溯性的要求的。因此，將企業產品平台化、模塊化的管理創新成果與信息系統的建設結合起來是很好的解決方案。要解決產品的模塊化管理，PDM產品無疑是一種很好的選擇。2 模塊的概念2.1 模塊的歷史來源模塊並不是一個新的概念，早在20世紀初期的建築行業中，將建築按照功能分成可以自由組合的建築單元的概念就已經存在，這時的建築模塊強調在幾何尺寸上可以實現連接和互換。然後，模塊被引入機械製造業，人們進一步將模塊與物理產品的功能聯繫到了一起，模塊具有了明確的功能定義特徵、幾何連接介面，以及功能輸入、輸出介面特徵。隨著計算機軟體技術的發展，模塊的概念又被用到了非物理產品領域，在軟體行業模塊的概念被廣泛的實踐著，大型的軟體系統（比如PTC公司的Windchill系統）的模塊化趨勢越來越明顯。目前，企業的專有知識越來越成為企業的戰略性資源，合理的管理、利用企業的專有知識是贏得競爭的重要籌碼！而企業產品中包含的知識是企業知識資源的最最重要部分，因此重用模塊就是重用知識，可以大大的節省時間和金錢。模塊化思想發展到今天，知識管理和傳統的模塊化之間的界限已經變得有些模糊。模塊的演變過程是從單純的幾何結構單元，發展到集成功能單元，又演變成為非物理實體的載體，如知識和軟體等。2.2 使用模塊的目的和案例由於模塊具有不同的組合可以配置生成多樣化的滿足用戶需求的產品的特點，同時模塊又具有標準的幾何連接介面和一致的輸入輸出介面，如果模塊的劃分和介面定義符合企業批量化生產中採購、物流、生產和服務的實際情況，這就意味著按照模塊化模式配置出來的產品是符合批量化生產的實際情況的，從而使定製化生產和批量化生產這對矛盾得到解決。另外，模塊實現了抽象的模塊功能與具體模塊實現之間的邏輯分離，整個產品結構十分清晰，容易從全局上理解和設計產品，使技術進步造成的越來越來複雜的工程管理得到改善。有些公司又將不同的目標市場進行分類，並通過模塊化的產品配置，實現對不同目標市場的覆蓋，也就形成了所謂的平台化戰略和差異化戰略。平台化、模塊化的產品戰略已經有很多成功的案例在世界很多的著名公司中應用。日本索尼公司在20世紀80年代僅利用4個基礎平台的Walkman產品，生產出250餘種錄音機隨身聽。這250種隨身聽無論在價位、功能和款式上都有很大的區別，可以滿足用戶的各種不同需求，但是這4個基礎平台卻存在著大量的重用模塊。德國大眾公司在A4平台上生產Volkswagen/Skoda/SEAT/Audi四個品牌的十餘種轎車，象我們熟悉的Golf、Bora、NewBeetle和Audi TT都是這個平台上的產品。這十餘種轎車分布在德國、斯洛伐克、捷克、比利時、西班牙、波蘭和墨西哥等國家的大眾公司分廠中生產，這些產品可以滿足不同市場需求的同時可以共享大眾公司整體的技術資源和採購資源。日本佳能公司的單鏡頭反光取景相機所有的鏡頭卡口標準是完全一致的，同時佳能公司龐大的鏡頭群可以覆蓋各種客戶需求，這使佳能公司的產品可以滿足從入門的攝影愛好者到職業級的攝影家的巨大客戶群的需求。佳能公司的這種技術目前已經入侵了數碼相機領域，佳能公司新近推出的EOS300D數碼單反相機使數碼單反相機走下神壇價位直衝普通數碼相機，EOS300D同樣可以使用所有佳能的鏡頭，這對攝影愛好者具有不可抗拒的吸引力。2.3 模塊和產品平台2.3.1 模塊的定義模塊是構成產品的一部分，具有獨立功能，具有一致的幾何連接介面和一致的輸入、輸出介面的單元，相同種類的模塊在產品族中可以重用和互換，相關模塊的排列組合就可以形成最終的產品。模塊化的產品設計可以達到以下幾個目的：模塊的組合配置，就可以創建不同需求的產品，滿足客戶的定製需求 ；相似性的重用，既可以重用已有零部件和已有設計經驗，也可以重用整個產品生命周期中的採購、物流、製造和服務資源；減少產品工程複雜程度，因為模塊是產品部分功能的封裝，產品設計人員使用具體模塊時根本不用關心內部實現，可以使研發人員更加關注頂層邏輯，提高產品工程管理質量和產品的可靠性。2.3.2 產品平台的定義產品平台就是描述產品系列的模塊化結構及模塊的功能、模塊間的幾何連接介面和輸入輸出介面。產品平台是不同目標市場需求的抽象表達，是企業劃分模塊的基礎，產品平台和模塊是相輔相成、相互依存的。將產品平台和產品模塊割裂開來是沒有任何意義的，我們將在後面就這一問題給出詳細論述。因此，從以上論述和觀點來看，產品的平台化、模塊化是連接產品研發和大規模定製生產的橋樑。模塊化產品是達到大規模定製和不斷的持續改進企業商業能力的首要前提。3 模塊的特點和產品模塊化的優點由於企業產品平台方案的制訂是依賴於企業客戶目標市場需求的不同而變化的，同時產品模塊的劃分必須考慮不同企業的產品功能、研發特點、生產特點、採購及物流方式和售後服務特點等方面的不同需求，所以產品平台和模塊化的方案必須結合企業的實際情況，沒有一成不變的解決方案。因此，理解模塊的特點及企業要利用模塊化達到的目的就顯得十分的重要，本文將在下面詳細的論述模塊的特點和優點，以幫助讀者找到本企業模塊的特點和要達到的目標。3.1 模塊的特點理解模塊必須抓住模塊的四個主要特點，這四個主要特點是模塊的精髓，也是劃分企業自身產品平台和產品模塊的基礎。3.1.1 模塊具有獨立的功能模塊的功能是整個產品功能的組成部分，且這個功能是自我包含，自我實現的。圖1給出了集成式產品結構和模塊化產品結構的區別。

（1）集成式產品結構

（2）模塊化產品結構圖1集成式產品結構和模塊化產品結構的區別在集成化的產品結構中，零部件的功能與產品功能是多對多的關係，這樣導致某個零部件的設計更改會影響到產品的多個功能，也就會導致不確定範圍的零部件的修改，同樣為了實現產品的某項功能改善，也會導致很多零部件的修改。隨著產品複雜程度和產品零部件重用度的提高，管理這樣的產品結構和相關信息就會變得十分困難，尤其是在產品為系列化、批量生產模式的企業中，隨著不可互換的相似零部件種類的增加，銷售、採購、物流、生產和服務等業務領域中的管理困難會成倍增加！在模塊化的產品結構中，零部件的功能與產品功能是一對一的關係，這樣對於零部件的更改和產品功能的改善不會造成其他零部件和功能的調整，也就是將產品的功能抽象與產品零部件的具體實現分離，模塊自身的單獨發展不會影響其他模塊。由於模塊的功能必須考慮在一系列產品中互換的問題，因此某些模塊的功能在某一個產品中有可能是冗餘的，但是從全局的角度看這樣做是值得的。比如，計算機主板上PCI插槽一般有4-6個，而大部分計算機上僅僅使用1、2個，這種功能的部分冗餘帶來的是很強的擴展能力和更大範圍的互換能力。3.1.2 標準的幾何連接和一致的輸入、輸出介面為了實現同類模塊之間的互換，嚴格的尺寸介面和輸入輸出介面的定義是必須的。幾何連接介面，可以是機械領域的銷、面、鍵和螺栓等，也可以是電器領域的信號、能量等。著名的玩具供應商Lego樂高公司通過積木模塊的不同組合可以拼成幾乎無盡數量的形狀，於是在市場上取得了巨大的成功。Lego樂高公司的積木模塊定義的主要就是幾何連接介面。當然，在實際的製造業中隨著產品複雜度的增加，模塊的幾何連接介面要比這複雜得多。輸入、輸出介面，是模塊功能的抽象，此類介面可以是能量、信息、物質（液體、氣體）等，是定義該模塊功能的輸出標準和能夠保證輸出特定功能所必須的輸入條件標準。例如，如果發電機對於發動機廠來講是一個模塊的話，發電機與發動機的連接尺寸等幾何連接介面需要標準化和規範化。同時，發電機的輸入轉速、功率，以及輸出的電流等輸入、輸出介面同樣需要規範。3.1.3 模塊是依賴產品平台的存在而存在的雖然模塊的功能是自我包含、自我實現的，但是模塊的存在和劃分必須以產品平台的整體功能為前提。比如某一個收音機由接收器(Ra)、放大器(Aa)和電源(Pa)三個組件構成，當該收音機只有這樣一種產品配置的時候，這裡不存在任何模塊，接收器(Ra)、放大器(Aa)和電源(Pa)是一個整體，不用區分。但是，當有另外一種收音機使用了另外一種電源(Pb)，這個電源(Pb)又與前一個電源(Pa)可以互換時，那麼電源在沒有任何變化的情況下，就會成為一個模塊。因此，模塊的功能和互換性都是依賴於產品平台的功能和配置變化而存在的，失去產品平台的定義和產品平台的配置需求，模塊的存在是沒有意義的。3.1.4 模塊是有層次的，並且受觀察角度和範圍的影響模塊可以包含子模塊，因為模塊的功能是整個系統功能的組成部分，所以子模塊的功能應該是父模塊的基本功能，所以能否稱為模塊是受觀察角度和定義範圍的影響而變化的。同樣，模塊層次越多管理難度越大，當模塊層次劃分過多，就與非模塊化的產品結構沒有什麼差異了。例如，就模塊的層次而言，柴油機是整車的一個模塊，發電機又是柴油機的一個模塊。站在不同的角度，模塊的劃分也會不同。發電機對於發電機生產商來講是一個產品，對於柴油機生產商來講是一個模塊，而對於整車生產商來講只是一個總成件了。整車廠的模塊化產品平台中不需要定義發電機模塊。3.2 模塊化產品結構的優點模塊化的產品結構對企業的貢獻可以從產品研發、提高效率、降低成本和改進企業管理等幾個方面考慮。3.2.1 對企業產品研發的貢獻模塊是產品知識的載體，模塊的重用就是設計知識的重用，大量利用已有的經過試驗、生產和市場驗證的模塊，可以降低設計風險，提高產品的可靠性和設計質量。模塊實現產品功能的分配和隔離，使問題的發現和設計的改進變得容易。模塊實現功能的抽象和實現分離，使設計人員容易掌握產品全局，同時設計人員可以屏蔽掉與自身領域無關的細節，從而關注更高層次的設計邏輯。模塊功能的獨立性和介面的一致性，使模塊研究更加專業化和深入，可以不斷通過升級自身性能來提高產品的整體性能和可靠性，而不會影響到產品其他模塊。模塊功能的獨立性和介面的一致性，使各個模塊可以相對獨立的設計和發展，可以進行並行設計、開發和並行試驗、驗證。模塊的不同組合能滿足用戶的多樣性需求，易於產品的配置和變型設計，同時又能保證這種配置變型可以滿足企業批量化生產的需求。3.2.2 對企業工作效率和節省時間的貢獻設計和零部件的重用可以大大縮短設計周期；並行的產品開發和測試可以大大縮短設計周期；利用已有成熟模塊可大大縮短採購周期、物流周期和生產製造周期，從而加快產品上市時間；如果劃分模塊時考慮到企業售後服務的特定需求，同樣可以縮短服務周期和耗費資源時間。3.2.3 對企業成本控制的貢獻模塊和知識的重用可以大大降低設計成本；採用成熟的經過驗證的模塊，可以提高採購批量，降低採購和物流成本；採用成熟的經過生產驗證的模塊，可以大大減少由於新產品的投產對生產系統調整的頻率，使新產品更容易生產製造，可以降低生產製造成本；產品平台中及平台之間存在大量的互換模塊，可以降低售後服務成本。3.2.4 對企業組織的貢獻有利於企業研發團隊分工，規範不同團隊間的信息介面，進行更為深入的專業化研究和不同模塊系統的並行開發；抽象平台和模塊的建立，可以實現企業組織結構與產品模塊結構之間的交互，使並行工程擁有實施的根基，工藝、財務、採購和售後服務可以在產品研發早期就介入產品研發項目；標準規範的模塊介面有利於形成產品的供應商規範；有利於產業分工的細化（比如下圖的計算機行業，以及汽車行業）。圖2顯示了計算機產業是隨著計算機模塊化的進程發展而分化和細化分工的。目前我們常常把PC機稱為兼容機，實際上就是指不同品牌的計算機硬體是完全可以互換（兼容）的，這些硬體都符合IBM對PC機定義的介面標準。

圖2 計算機模塊化的進程發展細化分工4 模塊化產品的過程傳統的過程性系統的設計辦法傾向於使高層次的模塊依賴於低層次的模塊，抽象層次依賴於具體層次。抽象層次包含的是產品系統的頂層的功能邏輯和宏觀的、對整個系統來說重要的戰略性決定，是必然性的體現，而具體層次則含有一些次要的與功能實現有關的功能和邏輯，以及戰術性的決定，帶有相當大的偶然性選擇。具體層次的需求會經常改變，抽象層次依賴於具體層次，使許多具體層次的細節變化會立即影響到抽象層次的宏觀功能，導致微觀決定宏觀，戰術決定戰略，偶然決定必然，這顯然是不對的。將產品模塊化，就是要把產品系統頂層的功能邏輯抽象成為模塊，使具體的產品零部件設計依賴於抽象的模塊層次邏輯。如圖3所示，利用抽象的模塊化層次，將企業產品的底層邏輯——數量眾多的零部件抽象成為可以重用的模塊，再利用模塊的排列組合形成企業豐富的富於創造性的滿足用戶特殊需求的產品配置。這樣，對於零部件組件層(底層邏輯)來，講企業要盡量標準化，利用成組技術和Windchill系統中的WSF模塊功能對這些零部件進行分類重用；合理劃分模塊層(抽象層)邏輯，使企業可以用數量最少的模塊來配置生成數量眾多的富於創造性的滿足客戶特殊需求的產品；最後，企業要利用平台化的戰略，分析企業產品的目標市場，整合企業模塊資源，以最少的產品變型滿足最大範圍的目標市場需求。

圖3 抽象的模塊層次邏輯因此，模塊化企業產品的大致過程是 ：首先根據產品功能和目標市場需求抽象企業的產品平台，然後根據產品平台和企業的業務實際劃分模塊組成，最後根據模塊的劃分來重新調整企業研發團隊分工。4.1 抽象化產品平台產品平台的定義首先是根據大量的用戶需求和不同的目標市場分析，定義出企業產品平台的主要功能目標。其次將主要的功能目標分解成主要的支撐實現功能，並定義好功能之間大致的輸入和輸出。最後根據企業目標市場的差異將企業的產品劃分成不同的產品平台。大多數企業的平台劃分都是在已有產品的基礎之上進行的，往往企業的產品本身已經形成系列，這樣調整的難度不僅是技術上的阻力，還有員工觀念上的阻力，調整起來比較困難。同時隨著產品複雜程度的提高，平台的劃分也越來越難，必須具備對企業產品的深入理解，具備對企業產品全生命周期管理過程的深刻認識，同時掌握平台化、模塊化的思想，才能定義好企業的產品平台。圖4是某廠柴油機平台劃分的實例。

圖4 某廠柴油機平台劃分4.2 詳細劃分模塊模塊的劃分實際上就是在考慮重用和產品整個生命周期中的實際後，對產品功能的重新分配，將原有產品結構的零部件分解後重新組合的過程。4.2.1 模塊劃分的大致原則基於企業的特定需求，將產品按照產品結構和功能劃分成可以重用和互換的不同功能單元，每個功能單元具有相對穩定的、一致的幾何連接介面和輸入和輸出介面。特定需求包括 ：大量的客戶需求 ；企業產品研發特點；企業生產和採購實際；產品的維修服務需求。因此，模塊的劃分應盡量考慮整個產品生命周期中各個環節的需求，比如產品的模塊可以考慮工藝合件、採購合件和維修合件等。但是，有的時候企業不同領域可能對某種模塊劃分的需求是相悖的，這時就需要企業進行平衡，要不改變企業業務模式以適應模塊劃分，要不容忍這種劃分的缺欠並作為以後優化模塊方案的內容。4.2.2 模塊的二元性一方面，模塊自身功能獨立，具有標準連接介面和輸入輸出介面。另一方面，模塊又是整個產品的一部分，不理解模塊在產品中的作用和位置，就無法定義模塊。這種既強調自身功能的獨立性，又強調系統結構的歸屬性，就是所謂的二元性。因此，模塊的劃分必須既要抽象產品平台，又要考慮模塊本身功能的獨立。這兩方面是相互影響的，在實際劃分中可能會經歷多輪的迭代才能形成滿意的劃分方案。還以發電機為例，要回答車用發電機對於整車生產商來講是不是一個模塊的問題。上面提到，大多數發動機的動力總成模塊都會包含發電機模塊，提供車用電力。但是如果整車製造商對於發電機有特定需求，要求發電機必須在整車製造商處裝配，發動機供應商提供的動力總成模塊不允許帶發電機，那發電機就很有可能成為整車製造商產品平台中的一個模塊。從這個例子可以看出能不能稱為模塊是與這個模塊隸屬產品平台的需求決定的。4.3 按照模塊結構，重組研發團隊可以將某個模塊或者某些功能相關的模塊分配給一個研發團隊，同時可以按照模塊之間的介面來定義不同研發團隊之間的交互信息標準。如圖5所示，將模塊之間的關聯、交互關係定義若干種強度等級，把強相關的模塊集中，要麼將強相關的模塊劃分給一個團隊，要麼劃分給組織上、地域上關聯密切的多個團隊。合理的模塊劃分和研發團隊劃分是進行產品的並行開發和並行試驗驗證的基礎。

圖5 模塊等級劃分4.4 根據企業實際業務情況不斷修訂模塊方案企業的產品模塊方案不是一成不變的，必定會隨著市場和企業業務的不斷變化而作出相應的調整。如圖5、圖6所示。

圖6 模塊劃分方案的形成過程企業一方面要嚴格控制新模塊的產生，另一方面還要根據研發設計結果、市場反饋、生產變化和國家法規等方面的變化，對產品平台和模塊進行適時調整，以適應新的企業內外部環境。5 模塊化通過PDM系統的實現5.1 產品結構管理Windchill系統提供產品結構管理功能，可以實現產品結構的描述，提供零部件隸屬關係查詢，提供產品結構比較、產品結構報表、產品結構版本和有效性控制等一系列功能。但是，實施了PDM系統並不代表企業就實現了產品的平台化和模塊化。產品平台化和模塊化是企業的產品研發方法和業務管理問題，有時甚至涉及到企業的組織機構重組。所以，產品的平台化、模塊化是管理問題，需要企業自身投入大量的精力，以及PDM系統供應商甚至是第三方諮詢公司進行大量的工作，來搭建企業的產品平台和模塊化方案。信息系統只是實現企業管理的工具，必須把企業管理實際同信息系統實施結合起來，才能取得預期的效果。圖7是某企業模塊化產品結構在Windchill系統上的一種表現形式。

圖7 某企業模塊化產品結構在Windchill系統上的一種表現形式5.2 零部件分類重用管理有些PDM系統提供對相似零部件的分類重用檢索功能，比如PTC公司的Windchill系統提供的分類重用軟體模塊WSF，可以提供很好的零部件標準化功能，系統用戶可以迅速在整個系統中檢索到符合設計參數需要的零部件或者設計參數相似的零部件進行重用，如圖8所示。

圖8 PTC公司的Windchill系統提供的分類重用軟體模塊WSF這樣可以實現對圖三中描述的零部件組件層的標準化、通用化，進而實現壓縮零部件種類、支持重用、提供設計參考等目的。6 結論產品平台化和模塊化是解決目前製造企業產品的標準化、通用化與定製化、柔性化之間的矛盾的可行方案。而產品平台化和模塊化目前正在從企業競爭的優勢技術，向一種企業競爭的必備技術轉變，是製造業發展的趨勢，也勢必會對在未來市場中的產業細分帶來深遠的影響。三流的企業賣產品，二流的企業賣技術，一流的企業賣服務，超級企業賣標準。行業中的模塊化實際上就是行業的標準，誰在競爭中取得制訂行業標準的能力，誰就會成為超級企業！同時，PDM系統是產品平台化、模塊化的使能技術。隨著企業產品系列的不斷增長，產品之間重用程度越來越高，企業產品數據的增長量會越來越大，保持產品數據的準確性、及時性、有效性以及可追溯性將會越來越困難，同樣地由於各種原因引起的工程變更也越來越難以控制，因此企業實施PDM系統就成了必然的選擇。PTC公司的Windchill系統提供了很好的產品結構管理、產品配置管理和零部件分類重用管理功能的工具。但是，要想使用好這些軟體的功能並為企業帶來效益，企業必須擁有一個完整的關於產品平台、產品模塊的劃分，擁有關於零部件重用屬性的建立以及產品配置的約束條件的制訂等一系列實現產品模塊化的解決方案。這些業務方案往往是決定PDM系統實施效果的最關鍵因素，唯有具有模塊化思想與行業經驗雙重優勢的人才，才能夠作出準確和全面的方案。從中國目前PLM市場狀況來看，無論是PDM軟體供應商還是企業自身都缺乏這樣的複合型人才，因此需要企業和PLM系統供應商應共同努力下大力氣培養適合人才，只有這樣實施PLM的企業才能取得滿意效果，PDM軟體供應商才能將市場越做越大！
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